Memoire Online - 3GPP LTE interface radio long term evolution: single carrier FDMA

Résumé	.3
Introduction	4
1. Méthode d'accès multiple : OFDMA	5
1.1 Principe de l'OFDMA .....	5
1.2 Le PAPR ou PAR (Peak Average (Power) Ratio) en ODFM......	6
2. Méthode d'accès multiple : SCFDMA	9
2.1 Principe du SCFDMA .....	9
2.2 Le mode distribué (DFDMA) et le mode localisé (LFDMA).....	11
2.3. PAPR en SCFDMA	14
Conclusion	.18
Références	19
Résumé :

L'UMTS LTE doit assurer la compétitivité à long terme de l'UMTS pour les applications de radiocommunication à large bande et la télévision mobile.

L'objectif est d'atteindre des débits de données de l'ordre de 100 Mbit/s en liaison descendante et jusqu'à 50 Mbit/s dans le sens montant. De plus, des améliorations significatives devraient suivre en ce qui concerne les temps d'accès, la capacité et l'efficacité spectrale. La transmission de données entre la station de base et le mobile utilise la technologie OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) déjà utilisée pour le WiMAX. En liaison montante, il sera fait appel au système SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Dans ce rapport nous présenterons ces deux technologies puis effectuerons une comparaison de leurs avantages et inconvénients. Nous nous focaliserons sur la problématique de la PAPR.

Introduction

Le monde des technologies mobiles offre une innovation permanente. Ainsi, les déploiements de la 3,5G (HSDPA, HSUPA) sont à peine initiés, que les organismes de normalisation planchent déjà sur la génération suivante. Le 3GPP travaille sur le concept du Long Term Evolution (LTE) afin d'offrir un système de communication dont les temps de latences seront faibles, un débit plus important (jusqu'à 100Mbits/cellule sur la voie descendante : downlink) et une meilleure efficacité spectrale en introduisant de nouveaux schémas de codages radios très sophistiqués. Les spécifications de ce système de communication sont citées dans le release 7 [MoBr06].

Ce système devra inter opérer avec les systèmes existants : ce qui apporte une grande difficulté aux fabricants de portables qui devront développer des modèles multi modes capables de « s'accrocher » à tout type d'accès radio sans décharger trop rapidement leurs batteries, le tout pour un coût restant accessible pour le grand public.

Le but de ce système LTE ou super 3G est d'arriver à une technologie radio d'accès évoluée offrant des services de haut débit (100Mbits/s en réception et 50Mbits/s en émission), tout en satisfaisant les contraintes technologiques présentes. C'est pourquoi, il a été proposé pour diverses raisons que sur la voie descendante, la technique d'accès OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) soit utilisée. En revanche sur la voie montante, on utilisera la technique SC-FDMA (Single Carrier FDMA). Dans ce rapport, on s'intéressera d'abord à la technique l'accès multiple : l'OFDMA en général et ensuite le Single Carrier FDMA proposée à être utilisé sur la voie montante pour le 3GPP LTE. Nous énoncerons les principales raisons ayant conduit au choix de cette technique sur la voie montante.

1. Méthode d'accès multiple : OFDMA

L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est une modulation à porteuses multiples dont la principale caractéristique est l'orthogonalité des canaux supportés par chaque porteuse (appelée aussi sous porteuse). Les modulations à porteuses multiples ont été introduites pour combattre l'interférence entre symboles (et donc simplifier la tâche des égalisateurs) tout en maintenant un débit élevé.

Dans un contexte multi-utilisateur, l'utilisation de l'OFDM est couplée à celle des techniques d'accès multiples. En OFDM-TDMA (Time Division Multiple Access) un utilisateur reçoit toutes les fréquences du symbole OFDM durant un slot et les mauvaises fréquences ne sont pas utilisées ; elles sont alors perdues pendant la durée du slot. L'OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access, est introduite pour assurer une meilleure gestion du spectre. La bande est divisée en sous canaux qui sont attribués à différents utilisateurs. Cela permet de profiter d'une diversité fréquentielle grâce à laquelle une mauvaise fréquence pour un utilisateur est susceptible d'être bonne pour un autre [CarLen06].

1.1 Principe de l'OFDMA

L'accès par radio évolué adapte les paramètres de transmission non seulement dans le domaine de temps, mais également dans le domaine de fréquence. L'adaptation de domaine de fréquence est rendue possible par l'utilisation d'OFDM et peut réaliser de grands gains d'exécution dans les cas où le canal change de manière significative audessus de la largeur de bande de système (cas de trajets multiples). Ainsi, l'adaptation de domaine de fréquence devient de plus en plus importante avec une largeur de bande accrue. Les informations sur la qualité de canal de downlink, obtenue par la rétroaction des terminaux, sont fournies l'ordonnancier (scheduler) de station de base.

L'ordonnancier détermine quel bloc de spectre de downlink à assigner à tel ou tel utilisateur et choisit dynamiquement des débits appropriés pour chaque bloc de spectre en changeant le niveau de puissance de sortie, le taux de codage de canal et/ou l'arrangement de modulation. Les modulations QPSK (Quadrature phase shift keying),16-QAM et 64-QAM sont utilisées comme schéma de modulation dans le

downlink. Pour le downlink, l'adoption d'OFDMA a permis un meilleur appui de différentes options de largeur de bande. La chaîne de base d'émetteur d'OFDM est montrée sur la figure 1[MoBr06].

La forme de onde en ODFMA présente des fluctuations autour de l'enveloppe du signal provoquant une puissance moyenne crête élevée (PAPR). Dans le paragraphe suivant, on se propose de présenter le PAPR en OFDMA.

1.2 Le PAPR ou PAR (Peak Average (Power) Ratio) en OFDM

La plupart des systèmes de transmission réellement implémentés sont limités en terme de puissance maximale, mais les contraintes matérielles en terme de linéarité des amplificateurs nécessitent des puissances opérationnelles bien en dessous de la puissance maximale du système¹. C'est le compromis coût- performance. En pratique pour profiter au maximum des performances des amplificateurs c'est-à-dire fonctionner avec des faibles back-offs, on tolère des saturations occasionnelles des amplificateurs de puissance

1 La linéarité d'un amplificateur de puissance est quantifiée par son point de compression à 1dB, définit comme la puissance d'entrée pour laquelle les effets non linéaires diminuent d'1dB la puissance de sortie comparée à un amplificateur idéalement linéaire.

ou le clipping dans les CNA (Convertisseur Numérique Analogique). Cette légèreté provoque des non linéarités (inter modulation) qui dégradent la qualité du signal et engendrent une occupation spectrale nuisible (interférence canal adjacent) [HyGMy]. Peak to Average Power Ratio PAPR est aussi parfois appelé Peak to Average Ratio PAR et constitue une mesure de la dynamique du signal. La PAR est définie pour les signaux discrets et la PAPR pour les signaux continus. Pour un signal continu x(t) dont t=1..N est le signal échantillonné².

Le PAPR est constitué de 2 termes: la puissance de peak ou maximale et la puissance moyenne. Etant donné qu'en communication numérique nous traitons des signaux aléatoires le plus souvent discrets, la définition la plus appropriée de la puissance maximale est probabiliste. Elle se traduit par la puissance au delà de laquelle on a une probabilité très faible (Pe) d'existence du signal, soit:

Ainsi le PAPR (valeur maximale/valeur moyenne) d'un processus aléatoire x(t) peut être entièrement déterminé par l'histogramme de x(t), donc par sa réalisation temporelle. Quand le nombre d'échantillons est infini histogramme et densité spectrale de puissance coïncident (on sait que lorsqu'un signal est ergodique, ses propriétés temporelles et

2 En général PAPR(x(t)) = PAR(x(t)) pour cela des évaluations de performances faites avec le PAR sur une signal discret peuvent être très optimiste. De plus, les contraintes de design citées plus haut sont relatives au signal continu car c'est lui qui est amplifié. Ces deux facteurs amènent donc à ne prendre en compte que le PAPR pour une analyse pertinente en pratique.

statistiques sont identiques pour plus de détails [JoTeMo]), ainsi la densité spectrale de puissance affecte la PAPR.

Il est prouvé et admis que les systèmes de modulation mono porteuses ont des PAPR plus faibles que les systèmes multi porteuses [HyGMy].

Un des inconvénients majeur de l'OFDM est la fluctuation importante de l'enveloppe du signal OFDM (fluctuation due à l'usage d'une IFFT). Cette fluctuation est quantifiée par le PAPR. Pour un signal OFDM, la fonction de répartition complémentaire (Complementary Cumulative Distribution Fonction (CCDF)) de la PAPR est caractérisée par [HyGMy] :

N le nombre de sous-porteuses. Cette expression est justifiée en [RiVaNe_ArWi].

En OFDM un PAPR élevé se traduit par la dégradation de l'orthogonalité des sous- porteuses due au non linéarité des CNA et amplificateurs. Plusieurs méthodes sont proposées pour y remédier dont:

- le clipping consiste à limiter la puissance de sortie du signal. Il est souvent associé à un filtrage du signal avant amplification afin d'en atténuer les pics. Les distorsions dues au clipping sont ainsi réduites mais pas éliminées. C'est la méthode la plus utilisée : simplicité au prix d'une dégradation des performances.

- le scrambling: Des signaux corrélés génèrent souvent des peaks d'où l'idée de les décorréler.

- le codage: Des codes blocs appropriés permettent d'éviter les séquences de symboles engendrant des pics. Le gain de codage permet aussi de réduire la puissance d'émission.

- la rotation de phase (constellation) : certaines valeurs de phase de la constellation minimisent la PAPR

- la tone reservation : Consiste à réserver certains canaux fréquentiels afin d'y injecter des signaux qui réduisent le PAPR.

Ces méthodes se traduisent toutes par un compromis bande passante puissance et un coût
supplémentaire. Or même sans un mécanisme de réduction de PAPR une diminution du
débit pourrait réduire les variations du signal et donc la PAPR. Ces techniques sont

implémentées au niveau de l'émetteur. Le terminal mobile étant soumis à d'importantes contraintes de coûts, une nouvelle approche est adoptée par l'utilisation du SC FDMA.

2. Méthode d'accès multiple : SC-FDMA 2.1 Principe du SC-FDMA

La technique utilisant l'accès multiple mono porteuse (SC-FDMA) est une technique semblable à l'OFDMA à la différence que celle-ci n'est pas sensible au PAPR (Peak to Average Power Ratio) en raison de sa structure inhérente simple. Elle utilise une modulation simple avec une égalisation dans le domaine fréquentiel (SC/FDE) pour adapter l'accès multi-utilisateur. Son schéma fonctionnel est donné par la figure suivante :

Le SC-FDMA peut être vue comme un OFDMA où des symboles de données de domaine
de temps sont transformés au domaine de fréquence par DFT (Discret Fourier

Transform) avant de passer par une modulation OFDMA. Les signaux binaires d'entrée sont transformés en signaux complexes à l'aide d'un modulateur en bande de base dans un format possible de modulation : BPSK, PSK, QPSK et 64-QAM. Ces signaux sont mis à l'entrée d'un DFT pour transformation dans le domaine fréquentiel. L'utilisation de la DFT a été choisie pour les raisons suivantes:

- la détection après le IDFT donne un SNR (Signal Noise Ratio) est proportionnellement repartie sur la bande entière. Car dans le cas d'une détection en OFDMA, le canal ayant subi un bruit aura un SNR faible et proportionnelle seulement à ce canal contrairement au SC-FDMA où la détection est faite sur la bande du signal (donnée en domaine temporel)

- la transmission en série des données avec la mono porteuse rend le PAPR faible [HyGMy][ JoTeMo].

Cette transformée de Fourier discrète produit une représentation de xk symboles dans le domaine fréquentiel qui sont transmis au bloc Subcarrier Mapping pour transformation en M(>N) sous porteuses orthogonales.

Si chaque bloc transmet N symboles et que N=M/Q, le système peut manipuler simultanément les transmissions sans interférence co-canal. Q est le facteur d'expansion large bande de la séquence de symbole. La résultante est un ensemble xl

~ (l=0, 1, 2 .... M-1) amplitudes complexes de sous porteuses où les N amplitudes sont différentes de zéro (les M amplitudes sont transmises au bloc de IDFT). Cette opération a pour but de transformer les xl

~ comporte alors une porteuse unique et tous les symboles sont transmis séquentiellement. L'émetteur effectue deux autres opérations avant la transmission : il insère un ensemble appelé préfixe cyclique (CP) offrant un temps de garde suffisant pour éviter l'interférence entre bloque transmis due à la propagation de multi trajets. Généralement, le préfixe cyclique est une copie de la dernière partie du bloque. Un filtrage linéaire est nécessaire afin de réduire l'énergie du signal. Le filtre utilisé est un filtre en cosinus sur- élevé.

A la réception, le récepteur transformera le signal reçu en domaine fréquentiel via le
DFT, exécutant ainsi l'égalisation fréquentielle. Puisque le SC-FDMA utilise la

modulation mono porteuse et donc soumis aux interférences inter symbole alors un égaliseur est nécessaire afin de combattre l'ISI (contrairement au CP qui combat l'interférence entre bloque). Les symboles égalisés sont transformés via l'IDFT en domaine temporel permettant une détection et un décodage dans le dit domaine.

Le SC-FDMA utilise deux méthodes pour associer les données aux sous-porteuses (mapping): distribué et localisé. . Dans le SC-FDMA distribué, les données de l'utilisateur occupent un ensemble de sous-porteuses réalisant non consécutives de façon à réaliser une diversité en fréquence. En revanche dans le SC-FDMA localisé, les données de l'utilisateur occupent un ensemble de sous porteuses consécutives localisées réalisant ainsi le gain sélectif en fréquence par établissement d'un ordonnancement dépendant du canal dépendant (Channel-Dependent Scheduling : CDS).

Rappelons que le SC-FDMA est une extension de Single Carrier avec Frenquency Domain Equalization (SC/FDE) et c'est une technique utilisée dans le système de communication sans fil pour combattre le canal sélectif en fréquence [HyGMy].

Dans le cas où M=Q.N avec équidistance entre les sous-porteuses, le DFDMA est appelé FDMA intercalé (Interleaved FDMA). L'IFDMA est un cas particulier de SC-FDMA et est très efficace car l'émetteur peut moduler le signal dans le domaine temporel. Un exemple de SC-FDMA transmettant des symboles dans le domaine de fréquence pour N = 4, Q = 3 et M = 12 est illustré sur la figure suivante pour trois utilisateurs.

Figure 3 : Exemple entre les différents mapping et l'allocation de sous-porteuses [HyGMy]

D'un point de vue d'attribution de ressource, les méthodes d'allocation de sous porteuses utilisent l'ordonnancement statique et le Channel Dependent Scheduling (CDS) qui donnent à chaque utilisateur des sous porteuses selon la réponse impulsionnelle de son canal.

= X l

11 Q

X l

= Q. k (0 = k = N-1)

, Ailleurs

(⁵)

Où 0=l=M-1 et M=Q.N

Avec m=N.q+n (0=q=Q-1

0=n=N-1) Quand

Quand l'allocation de sous-porteuses commence par la r^ème sous porteuse (0=r=Q-1), alors :

Ainsi, on a ajouté une rotation de phase de e j 2ð M quand on commence l'allocation de

Cette rotation de phase s'appliquera également aux autres schémas de mapping sousporteuses dans le même cas.

Pour l'IFDMA, les symboles de temps sont simplement une répétition des symboles originaux d'entrée avec rotation de phase systématique appliquée à chaque symbole dans le domaine temporel.

Pour LFDMA, les échantillons fréquentielles {X }après le bloc subcarrier mapping (cf._l Figure 3) sont décrit par l'équation :

Le signal LFDMA dans le domaine temporel a les copies exactes des symboles d'entrée dans les positions N- multiples et les valeurs intermédiaires sont des sommes pesées de tous symboles dans le bloc d'entrée.

L'IFDMA est utilisé lorsqu'un système veut supporter plus d'utilisateurs. D'après d'équation (8), il est plus facile de former les impulsions nécessaires dans le cas d'une utilisation hors bande de spectre avant la transmission radio. En revanche, LDFMA dans un canal dépendant de l'ordonnancement donne une capacité considérable en terme du nombre d'utilisateurs [HyGMy][ MoBr06].

La différence fondamentale entre l'OFDMA et le SCFDMA réside dans le caractère mono porteuse de ce dernier, caractère mono porteuse qui justifie l'utilisation d'un bloc FFT en début de chaîne (cas du SCFDMA) d'où l'appellation FFT pre-spread OFDMA. L'ajout du bloc FFT permet de conserver le signal dans le domaine temporel préservant ainsi le dit caractère. C'est ce caractère mono porteuse qui est exploité pour la réduction du PAPR.

Face au gain en terme de PAPR inhérent au modulation mono porteuse l'ajout d'un bloc FFT ne constitue pas un handicap pour le mobile, la technique FFT est répandue et de coût raisonnable.

Dans le cas de la 3G LTE aussi bien le mode Distributed que le mode Localised SCFDMA est utilisé[HyGMy]. Le mapping effectué n'a rien à voir avec la réduction du PAPR mais sert uniquement à la résolution de la problématique multi utilisateur. Si il n'y qu'un seul utilisateur dans le système on a pas besoin de bloc FFT en entrée de l'émetteur. On fait dans ce cas du SC/FDE dont ci-dessous est présentée la chaîne de transmission.

Généralement le PAPR scfdma est 2 a 6 db plus faible que celui du OFDMA mais cette valeur dépend de plusieurs paramètres comme la constellation, la fonction de mise en forme... [HyGMy]

avec wc la fréquence porteuse, x~_m les symboles temporelles mappés, T la durée

symbole après mapping, r(t) la fonction de mise en forme, M le nombre de sous porteuses du système.

L'expression de la CCDF de la PAPR d'un signal SCFDMA est assez complexe à déterminer. Le lecteur intéressé peut se ramener à [HyGMy]. La plupart des résultats présentés dans la littérature font appellent à des simulations numériques. A titre d'illustration sont présentées ci-dessous des courbes des CCDF d'un signal OFDM et LFDMA.

On remarque que le signal SCFDMA a bien à une probabilité donnée un plus faible PAPR que le signal OFDMA. On voit aussi que pour une probabilité seuil fixée à 10-3, la PAPR SCFDMA (LSCFDMA) est 2.2 dB plus faible que celle de l'OFDM. La plage précédemment annoncée est donc vérifiée.

Maintenant que les avantages de la SCFDMA en terme de PAPR sont établis, il est important de noter un autre élément important qui permet son utilisation sur un canal large bande. Il s'agit de l'égalisation fréquentielle.

En effet égaliser un canal large bande à partir de sa réponse impulsionnelle s'avère prohibitif de part sa longue réponse impulsionnelle d'où l'idée de réutiliser les principes de l'égalisation fréquentielle mise en oeuvre en OFDMA. C'est pour cela que l'on ajoute le CP à l'émetteur.

Frequency Division Equalisation 4 réduction de la complexité de l'égaliseur

Une meilleure résistance aux null spectraux (détection sur tout la bande et non par sous canaux)

Une faible sensibilité aux offsets fréquentiels (pas d'orthogonalité des porteuses) Faible complexité de l'émetteur (bon pour un mobile)

Conclusion:

L'évolution des interfaces radio des systèmes réseaux mobiles se caractérise par l'introduction de l'OFDMA et du SCFDMA comme techniques d'accès multiples. Ces « nouvelles » techniques sont introduites pour apporter des débits importants aussi bien sur la voie montante que descendante. La principale « innovation » est l'introduction du SCFDMA. Cette technologie d'accès multiple tient compte des contraintes liées au canal large bande et à l'autonomie du mobile.

Ce projet nous a permis d'approfondir nos connaissances en OFDMA et aussi d'être imprégné des différents compromis conduisant à un choix technologique. Le compromis coût-performance.

Néanmoins des points restent à approfondir car notre approche a été volontairement sommaire, le but étant de cerner les principes sans entrer dans les détails.

[CarLen06] Carle Lengoumbi, « Algorithmes d'allocation de ressources en OFDMA:cas de la voie descendante d'une cellule radio isolée », ENST Paris, Octobre 2006

[MoBr06] Mobile Broadband: The Global Evolution of UMTS/HSPA 3GPP Release 7 and Beyond, Juillet 2006

[HyGMy] Hyung G. Myung, memoire de thèse :« Single Carrier Orthogonal Multiple Access Techniquefor Broadband Wireless Communications », Polytechnic University,Brooklyn, NY Janvier 2007